船舶穩(wěn)性及受撞即時傾覆影響因素分析研究

劉 威，朱發(fā)新，溫小飛，吳 楊，唐振華，胡 海

● （浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316000）

船舶穩(wěn)性及受撞即時傾覆影響因素分析研究

劉 威，朱發(fā)新，溫小飛，吳 楊，唐振華，胡 海

● （浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院，浙江舟山 316000）

海運(yùn)事故中，船舶碰撞以其比例高、損失大、調(diào)查處理難等為航運(yùn)各部門所關(guān)注，小型船舶與大型船舶之間的碰撞所造成的后果更嚴(yán)重，通常會引起小型船舶的即時傾覆，瞬間沉船。從船舶穩(wěn)性的基本概念出發(fā)，研究了船寬、干舷高度、船舶裝載狀態(tài)、船舶內(nèi)重物移動、船艙自由液面及懸掛重物對船舶穩(wěn)性的影響。針對船舶碰撞中的小型船舶，運(yùn)行船舶碰撞的能量守恒及動量守恒等基本理論，分析船舶的質(zhì)量比、速度比及船舶穩(wěn)性變化等因素對小型船舶受撞即時傾覆的影響。

船舶碰撞；穩(wěn)性；即時傾覆；影響因素

大型船舶（集裝箱船、散貨船等商船）與小型船舶（漁船、駁船等）之間的碰撞造成的后果更嚴(yán)重，經(jīng)常會引起小型船舶即時傾覆，由于逃生和搶救時間太短，造成人員傷亡或失蹤人數(shù)較多、貨物損失和直接經(jīng)濟(jì)損失巨大等。開展船舶穩(wěn)性及受撞即時傾覆影響因素分析研究對延長船員逃生和搶救時間，提高獲救機(jī)會等方面具有重要意義。

1 船舶穩(wěn)性

1.1 船舶穩(wěn)性的概述

船舶穩(wěn)性，是指船舶受到風(fēng)、浪、流及碰撞等外力作用離開平衡位置而產(chǎn)生傾斜，當(dāng)外力消除后能夠自行恢復(fù)到原來平衡位置的性能。

船舶穩(wěn)性通常可分為橫穩(wěn)性和縱穩(wěn)性，其中橫穩(wěn)性是指船舶橫向傾斜時的穩(wěn)性；縱穩(wěn)性是指船舶縱向傾斜時的穩(wěn)性。一般情況下，船舶不會因?yàn)榭v穩(wěn)性不足而傾覆，因此船舶穩(wěn)性問題通常為船舶的橫穩(wěn)性問題[6]。

船舶穩(wěn)性的其他分類具體如下：

1）按傾斜角度大小不同，分為初穩(wěn)性和大傾角穩(wěn)性。初穩(wěn)性是指船舶從正浮狀態(tài)向左或向右傾斜的角度不大于10°～15°時的穩(wěn)性。大傾角穩(wěn)性是指船舶從正浮狀態(tài)向左或向右傾斜的角度大于10°～15°時的穩(wěn)性。

2）按傾斜時有無角加速度和慣性量或按外力矩的性質(zhì)不同，分為靜穩(wěn)性和動穩(wěn)性。靜穩(wěn)性是指船舶在靜態(tài)的外力矩作用下，傾斜過程中無角加速度和慣性量。動穩(wěn)性是指船舶在動態(tài)的外力矩作用下，傾斜過程中帶有角加速度和慣性量。

3）按船舶破損與否，分為完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性。完整穩(wěn)性是指船艙完整無破損進(jìn)水時的船舶穩(wěn)性；破艙穩(wěn)性是指船艙破損浸水后的船舶穩(wěn)性。

1.2 船舶穩(wěn)性的影響因素

船舶穩(wěn)性的大小直接影響船舶在海上能夠承受多大的風(fēng)浪而不至于傾覆，增大船舶的穩(wěn)性可延長船舶受撞后的傾覆時間，從而保證船員有足夠的逃生時間和提高救援效果。根據(jù)船舶穩(wěn)性的基本概念，影響船舶穩(wěn)性大小的因素主要有以下4個方面：

1）船寬B。船舶排水體積V、吃水d、干舷高度F、重心距基線高度Zg相同，而船寬B不同。由于穩(wěn)心半徑r與船寬的平方成正比，所以船寬 B大，穩(wěn)心距基線高度Zm大，初穩(wěn)性高度就越大，但大傾角穩(wěn)性不一定好。

2）干舷高度F。船舶排水體積、吃水d、船寬B、重心距基線高度Zg相同，而干舷高度F不同。當(dāng)橫傾角θ較小時，干舷高度F對船舶穩(wěn)性沒有影響，大傾角時，干舷高度F大的船穩(wěn)性好。

3）船舶裝載狀態(tài)。船體幾何形狀一定，船舶靜穩(wěn)性是由船舶吃水d和重心距基線高度Zg決定。當(dāng)裝載質(zhì)量相同時，吃水相同，即穩(wěn)心距基線高度Zm相同時，船舶重心距基線高度Zg越大，初穩(wěn)性高度GM越小，船舶穩(wěn)性就越小。所以船舶裝載狀態(tài)的重心距基線的高度 Zg對船舶的穩(wěn)性影響很大。

4）船內(nèi)重物移動。船內(nèi)重物垂直移動時可以調(diào)整船舶初穩(wěn)性高度GM，當(dāng)重物下移時，重心G下移，初穩(wěn)性高度GM增加， 穩(wěn)性提高；當(dāng)重物向下垂移時，穩(wěn)性降低。重物水平橫移產(chǎn)生的橫傾角可影響穩(wěn)性。當(dāng)船內(nèi)的重物水平橫移時，船舶重心 G也橫移，因此船舶受到橫傾力矩的作用，從而導(dǎo)致船舶的穩(wěn)性力矩Ms減小，所以穩(wěn)性下降。

5）船艙自由液面。自由液面對穩(wěn)性的影響，相當(dāng)于使得船舶的重心升高，導(dǎo)致船舶穩(wěn)定變差。

6）懸掛重物。懸掛重物相當(dāng)于使得船舶初穩(wěn)性高度降低，船舶穩(wěn)性下降。

2 小型船舶碰撞即時傾覆的影響因素分析

船舶碰撞是船體結(jié)構(gòu)在很短時間（大概零點(diǎn)幾秒到一點(diǎn)幾秒）內(nèi)在巨大沖擊載荷作用下的一種復(fù)雜的非線性動態(tài)響應(yīng)過程，它具有非常明顯的動力特性，而且碰撞區(qū)構(gòu)件一般都要迅速超越彈性階段而進(jìn)入塑形流動狀態(tài)，并可能出現(xiàn)撕裂、屈曲等各種形式的破壞或失效[7-8]。

本文詳細(xì)描述了智慧校園環(huán)境下高校網(wǎng)上校務(wù)服務(wù)平臺設(shè)計(jì)過程和實(shí)踐內(nèi)容，基于開放式流程平臺構(gòu)建高校網(wǎng)上辦事中心的應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)模式，梳理優(yōu)化了學(xué)校校務(wù)服務(wù)流程，真正實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上“一站式”校務(wù)服務(wù)，提高了部門協(xié)同服務(wù)效率，提升了師生信息化服務(wù)體驗(yàn)。

大型船舶與小型船舶之間的碰撞，造成的后果更嚴(yán)重，經(jīng)常會引起小型船舶即時傾覆，瞬間沉船。具體過程是：在風(fēng)、浪、流耦合作用下，碰撞后的小型船舶產(chǎn)生劇烈的橫傾、縱傾的搖擺運(yùn)動或兩者運(yùn)動的疊加情況，船舶碰撞產(chǎn)生的動態(tài)傾覆力矩大于該船穩(wěn)性力矩，該船將發(fā)生即時傾覆，瞬間沉船。

小型船舶受撞即時傾覆的影響因素主要分為 3個方面，分別是：碰撞船的各種因素，如質(zhì)量、速度、水動力系數(shù)等；兩船所處的外部環(huán)境因素，如風(fēng)、浪、流等；受撞船（小型船舶）自身的因素，如速度、排水量和水動力系數(shù)等。

2.1 質(zhì)量比的影響

如圖 1所示，假設(shè)被撞擊小船靜止正浮于水面上(V2=0)，撞擊船的質(zhì)量為 m1，被撞擊船的質(zhì)量為 m2，撞擊船的航速為V1，碰撞后兩船的共同速度為V，則由動量守恒定理：

圖1 相撞船舶示意圖

從而求出V，進(jìn)而由能量守恒定理求得碰撞過程中的動能損失：

動能損失ΔEk轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的變形能，由結(jié)構(gòu)的損傷來承擔(dān)。通過分析兩船的質(zhì)量關(guān)系，就能初步的判斷動能損失的大小，從而判斷結(jié)構(gòu)損傷的程度。由式(2)可得：

另外，附連水質(zhì)量是由于流體的粘性作用而參與船舶碰撞與觸底過程的周圍液體質(zhì)量，一般橫蕩運(yùn)動附連水質(zhì)量可取船體質(zhì)量的0.4～1.3，即dm2=km2，同時令C=m2/m1，得：

由式(4)知：k取0.4～1.3，在撞擊船航速V1和相撞夾角a不變的情況下，C值越小，動能損失ΔEk值越大。即大船撞擊小船時，大船的質(zhì)量越大或小船的質(zhì)量越小，動能損失ΔEk將增大，轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的變形能也增大，若增大到一定臨界值時必會導(dǎo)致被撞擊船的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷，最終造成被撞擊船即時傾覆的危險(xiǎn)。

2.2 速度比的影響

圖2所示，假設(shè)撞擊船的航速和質(zhì)量分別為V1和m1，被撞擊小船航速和質(zhì)量分別為V2和m2，碰撞后兩船的共同速度為V，則由動量守恒定理：

圖2 相撞船舶示意圖

從而求出V，進(jìn)而由能量守恒定理求得碰撞過程中的動能損失：

假設(shè)a=90°，即兩船垂直相撞，則動能損失ΔEk為：

由此知，隨被撞擊船的航速越大，動能損失也就越大。另外，航速比V2/V1的值必然存在一個臨界值，當(dāng)超過這個臨界值時，被撞擊船就存在即時傾覆的危險(xiǎn)。

2.3 穩(wěn)性變化的影響

當(dāng)小型船舶受撞后，其穩(wěn)性將受到很大的影響，這主要是因?yàn)樾⌒痛霸谑茏埠箢嶔u擺劇烈，貨物綁扎易松動移位，船內(nèi)重物橫移，船舶重心發(fā)生改變，如圖3所示。

圖3 受撞小型船舶的穩(wěn)性變化示意圖

當(dāng)船內(nèi)重物水平橫移時，船舶重心G橫移至G1，若船舶在此位置上再受橫傾力矩作用，船舶橫傾至 β1角，此時船舶的穩(wěn)性力矩為Ms1=D · G1Z1。而船內(nèi)重物未橫移時受一橫傾力矩作用使船舶橫傾至 β1角時，船舶的穩(wěn)性力矩為 Ms=D · GZ。

顯然，Ms＞Ms1，所以船內(nèi)重物橫移會使船舶的穩(wěn)性力矩減小。因此，當(dāng)船舶穩(wěn)性被嚴(yán)重破壞時，稍有外力，船舶便有傾覆危險(xiǎn)。

3 結(jié)論

1）運(yùn)用船舶穩(wěn)性的基本概念，分析了船寬、干舷高度、船舶裝載狀態(tài)、船舶內(nèi)重物移動、船艙自由液面及懸掛重物對船舶穩(wěn)性的影響。

2）針對船舶碰撞中的小型船舶，運(yùn)用船舶碰撞的能量守恒、動量守恒等基本理論，分析了船舶的質(zhì)量比、速度比及船舶穩(wěn)性變化等對小型船舶受撞即時傾覆的影響。

[1]楊神化, 李麗娜, 索永峰, 等. 船舶碰撞過程動態(tài)仿真系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 集美大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2008, 13(3):228-231.

[2]王自力. 船舶碰撞損傷機(jī)理與結(jié)構(gòu)耐撞性研究[D].上海: 上海交通大學(xué), 2002.

[3]王自力, 顧永寧. 船舶碰撞動力學(xué)過程的數(shù)值仿真研究[J]. 爆炸與沖擊, 2001, 21(1): 29-34.

[4]譚振東, 王振濤, 何超, 等. 基于碰撞機(jī)理的船舶碰撞分析方法研究[J]. 海洋技術(shù), 2009, 28(2): 92-95.

[5]王自力, 顧永寧. 船舶碰撞研究的現(xiàn)狀和趨勢[J].造船技術(shù), 2000, 236(4):7-12

[6]李品芳, 黃加亮. 船舶管理（輪機(jī)）[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2009.

[7]王自力, 顧永寧. 船舶碰撞數(shù)值仿真的一種組合模型[J]. 華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2001, (6):3-8.

[8]馮瑋. 橋梁-船舶碰撞力計(jì)算方法研究[J]. 中國水運(yùn),2010, 10(4): 159-160.

西門子為法國柴油混合動力客車提供驅(qū)動系統(tǒng)

西門子目前正在為法國東部城市梅茨市公交公司Mettis交通創(chuàng)新項(xiàng)目提供混合動力推進(jìn)系統(tǒng)，幫助該市緩解中心城區(qū)的交通擁堵問題。Van Hool是一家生產(chǎn)大型客車、旅游車和工業(yè)車輛的獨(dú)立制造商，該公司為梅茨市公交公司提供客車。其 27 輛大型客車配備了由西門子公司提供的驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)、動力電子設(shè)備以及控制軟件。該款低排放、高燃油效率的柴油混合動力汽車用柴油發(fā)電機(jī)為電機(jī)供電，多余的電能則由電池系統(tǒng)儲存起來，其所采用的驅(qū)動電機(jī)也保證了車輛運(yùn)行的可靠性和免維護(hù)性能。西門子提供的這套驅(qū)動系統(tǒng)采用了無齒輪電機(jī)，不僅可以降低噪聲和振動水平，還全面提高了乘客的乘坐舒適度。

該系列大型客車為雙層鉸接式客車，長24米，高3.3米，在城市專用車道上行駛，與其它交通車輛分開。其耗油量與傳統(tǒng)12米柴油客車相近，但載客量幾乎增加一倍。同時，混合動力驅(qū)動的客車還能降低油耗，并達(dá)到同類車型尾氣排放的最低水平，從而大大降低二氧化碳排放量。

西門子提供的驅(qū)動電機(jī)可以將剎車時所儲蓄的能量回收至電池系統(tǒng)。這套電池系統(tǒng)專為該項(xiàng)應(yīng)用開發(fā)，非常適用于公共運(yùn)輸車輛的頻繁起動、制動工況，可以做到快速、大容量的充、放能量。

西門子目前可為車輛提供可靠的、免維護(hù)驅(qū)動電機(jī)。驅(qū)動電機(jī)可直接安裝在車軸上，無需通過中間傳動裝置。客車采用這種方式驅(qū)動可以來減少噪音，降低振動，從而整體改善乘客的乘坐舒適度。

Mettis 項(xiàng)目建設(shè)工程始于2010年。按計(jì)劃，這一新型交通工具將于2013年年底在兩條總長23公里的線路上投入運(yùn)行。梅茨市政府期望該款車型在初期每天可搭載25000名乘客，未來預(yù)計(jì)將有多達(dá)36000人選擇使用這種更具吸引力的新型運(yùn)輸系統(tǒng)，取代傳統(tǒng)的市區(qū)公共汽車、有軌電車和私家車。

Study on Ship Stability and Influencing Factors of Instant Capsizing of Ship Collision

LIU Wei, ZHU Fa-xin, WEN Xiao-fei, WU Yang, TANG Zhen-hua, HU Hai
(Maritime College of ZheJiang Ocean University, Zhoushan 316000, China)

In maritime accidents, ship collisions are given close attention by various of maritime departments because of its high proportion and big loss. The consequence of collision between small ship and big one is more severe. It often causes capsizing and sinking of small ship instantly. The influence of ship stability is discussed with the breadth of ship, the height of freeboard, the state of loading, the position change of heavy object, the free surface of the cabine, the hanged heavy object in according to basic principles. The influence of instant capsizing of smaller ship in collision is also studied by mass ratio, velocity ratio and change of stability of ship.

ship collision; ship stability; instant capsize; influence factor

U661.2+2

A

0 引言

船舶碰撞的類型有很多，如船與船的碰撞、船舶與離岸工程結(jié)構(gòu)的碰撞、船舶與橋墩的碰撞、船舶靠泊碼頭時的靠泊碰撞、船舶的擱淺與觸礁等。在眾多船舶事故中，船舶碰撞以其比例高、損失大、調(diào)查處理難等為各部門所關(guān)注。據(jù)海事部門統(tǒng)計(jì)資料分析，我國因船舶碰撞造成的船舶噸位損失占各種事故總損失的35%，其中在內(nèi)河事故中，船舶碰撞事故約占事故總數(shù)的60%以上，其損失約占事故總損失的70%以上，船舶碰撞已成為船舶與海洋工程領(lǐng)域的重大風(fēng)險(xiǎn)源[1-5]。

2012年浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Y12E090007）

劉威（1985-），男，輪機(jī)工程專業(yè)。從事船舶安全與污染控制研究。

朱發(fā)新（1982-），通訊作者，男，講師，碩士研究生。從事船舶安全與污染控制研究。